DE19957425C2 - Energy converter for the use of low-potential energy sources - Google Patents
Energy converter for the use of low-potential energy sourcesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Energiewandler zur Nutzung nieder potentieller Energieträger beliebigen Ursprungs, insbesondere in der Umgebung vorhandener Wärmeenergie und Abwärme.The invention relates to an energy converter for use potential energy sources of any origin, especially in the area existing heat energy and waste heat.
Die Möglichkeit, thermische Energie in elektrische und mechanische Energie umzuwandeln, ist ein bekannter Prozeß, der in verschiedenen Einrichtungen und Maschinen realisiert wird. The possibility of converting thermal energy into electrical and mechanical energy converting is a well known process that takes place in different facilities and Machines is realized.
Bei den bekannten, weit verbreiteten Wärmekraftmaschinen wird für einen wirtschaftlichen Betrieb und zur Erreichung eines möglichst guten Wirkungsgrades stets ein großes Wärmegefälle benötigt. Der Wirkungsgrad dieser Art der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, welche dem im Uhrzeigersinn durchlaufenden Carnot-Prozeß entspricht, ist bekanntermaßen stets kleiner als 1. In der Praxis werden Wirkungsgradwerte bis zu ca. 40%, in einigen Sonderfällen, bei entsprechend hohen Anforderungen an Technik und Material, bis zu ca. 50% erreicht.In the well-known, widely used heat engines for one economical operation and to achieve the best possible efficiency requires a large heat gradient. The efficiency of this type of conversion from Thermal energy in mechanical energy, which is clockwise Carnot process is known to always be less than 1. In practice Efficiency values up to approx. 40%, in some special cases with correspondingly high ones Technology and material requirements, up to 50% achieved.
Die Umsetzung von Wärmeenergie mit relativ niedriger Temperatur bzw. kleinen Temperaturunterschieden in mechanische Energie und die Umwandlung des in der Umgebung befindlichen Wärmereservoires in kinetische Energie hat bisher kaum eine größere wirtschaftliche Bedeutung erlangt.The implementation of thermal energy with a relatively low temperature or small Temperature differences in mechanical energy and the conversion of the in the So far, there is hardly any heat reservoir in kinetic energy attained greater economic importance.
Ein Vorschlag zum Umwandlung von Wärmeenergie niedriger Wertigkeit in mechanische Energie ist in der DE 39 39 779 A1 beschrieben. Dabei wird eine Flüssigkeitsmasse abwechselnd und gegenläufig von einem kalten Zylinder in einen warmen Zylinder und umgekehrt gefördert. Durch Erwärmen der Arbeitsflüssigkeit in jedem Arbeitstakt wird aufgrund der unterschiedlichen Projektionsflächen der Kolben mechanische Energie erzeugt.A proposal to convert low-value thermal energy into mechanical energy Energy is described in DE 39 39 779 A1. This creates a mass of liquid alternately and in opposite directions from a cold cylinder to a warm cylinder and promoted in reverse. By heating the working fluid in every working cycle due to the different projection surfaces of the pistons mechanical energy generated.
Die DE 40 15 879 A1 schlägt ein Verfahren zur mechanischen Energieerzeugung aus Wärmeenergie vor, indem sich ein fester Körper durch Wärmeeinwirkung taktmäßig ausdehnt und sich durch Kälteeinwirkung zusammenzieht, wobei der niedrige Wirkungs grad bei Dehnung und Schrumpfung durch zusätzlichen Einbau einer Wärmepumpe und einer Kältemaschine angehoben werden soll.DE 40 15 879 A1 proposes a method for mechanical energy generation Heat energy before by a solid body is cyclically exposed to heat expands and contracts by exposure to cold, the low impact degree of expansion and shrinkage due to the additional installation of a heat pump and a chiller is to be raised.
Eine wirtschaftliche Anwendung dieser Vorschläge erscheint nicht realisierbar, da der Gewinn an kinetischer Energie eine bedeutende Dimension nicht aufweist und gegebenenfalls beim Betrieb mit niedrigen Temperaturdifferenzen die Eigenreibung der Vorrichtungen nicht überwunden wird. An economic application of these proposals does not appear to be feasible because the Gain in kinetic energy does not have a significant dimension and if necessary when operating with low temperature differences, the natural friction of the Devices is not overcome.
Es wurde ferner mit der DE 31 01 858 A1 ein Verfahren zur Nutzung von Abwärme niedrigen Temperaturniveaus für die Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie mit wahlweise gleichzeitiger Kälteerzeugung als Nachschalt-Sorbtionsprozeß thermischer Verfahren unter Verwendung eines Arbeitsstoffpaares mit gut absorbierbarem Hochdruck-Arbeitsmittel und einem flüssigen Absorbtionsmittel, bei dem das Hochdruck-Arbeitsmittel durch Desorbtion bei hohem Druck thermisch freigesetzt, überhitzt und in einer mehrstufigen Entnahme-Turbine arbeitsleistend entspannt wird, vorgestellt, bei dem die am unteren Ende eines Desorbers anfallende arme Lösung ihre fühlbare Wärme zuerst überwiegend regenerativ in einem Tellstromdesorber an einen Teil der entgasenden Lösung oder in einen Vorüberhitzer abgibt und anschließend eine weitere regenerative Wärmeabgabe in einem Wärmeübertrager an die dem Desorber zuzuführende reiche Lösung und gegebenenfalls noch weitere Wärmeabgabe in Kühlein richtungen mit äußerer Wärmeabführung erfolgt und die arme Lösung vollständig in eine Niederdruck-Absorberstufe entspannt wird.DE 31 01 858 A1 also describes a method for using waste heat low temperature levels for the generation of mechanical or electrical energy with optional simultaneous cooling as a post-sorption thermal process Process using a pair of working materials with good absorbability High pressure equipment and a liquid absorbent, in which the High pressure equipment released thermally by desorption at high pressure, overheated and relaxed in a multi-stage extraction turbine, in which the poor solution at the bottom of a desorber is theirs sensible heat first predominantly regenerative in a Tellstrom desorber to one Part of the degassing solution or in a preheater and then one further regenerative heat emission in a heat exchanger to that of the desorber rich solution to be supplied and possibly further heat emission in cooling directions with external heat dissipation and the poor solution completely in one Low pressure absorber stage is relaxed.
Dieses beschriebene Verfahren verlangt einen hohen apparativen Aufwand zu seiner Realisierung, so daß die Wirkungsgrade derartiger Einrichtungen sehr niedrig sind und sich hier das Verhältnis Aufwand/Nutzen negativ herausbildet.This described method requires a high level of equipment Realization so that the efficiencies of such devices are very low and the ratio of effort and benefit develops negatively here.
Mit der US 3774397 wurde eine Energiewandlung zur Nutzung niederpotentieller Energieträger für die Erzeugung elektrischer und mechanischer Energie aus Wärmeenergien beliebigen Ursprungs, insbesondere aus in der Umgebung vorhandener Wärmeenergie und Abwärmeenergie durch Verdampfen und Verflüssigen eines Arbeitsmittels, bekannt. Der vorgesehene Flügelzellenrotor ist dabei mit verschiebbaren Zellenblättern ausgerüstet, die radial im Rotor angeordnet sind. Zum Betreiben des Energiewandlers wird Primärenergie benötigt, so kommen Benzin, Öle uns Gase zum Einsatz. Hier liegt der Nachteil der vorgestellten Lösung, da dieser Energiewandler nicht zur Nutzung niederpotentieller Energieträger, sogenannter Abfallenergie, verwendet werden kann.US 3774397 made an energy conversion for the use of low potential Energy carriers for the generation of electrical and mechanical energy Thermal energies of any origin, especially from those present in the area Heat energy and waste heat energy by evaporating and liquefying one Work equipment, known. The proposed vane rotor is slidable Cell sheets equipped, which are arranged radially in the rotor. To operate the Energy converters need primary energy, so gasoline, oils and gases are used Commitment. This is the disadvantage of the solution presented, since this energy converter is not used to use low-potential energy sources, so-called waste energy can be.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Energiewandler, unter Nutzung niederpotentieller Energieträger, zur Erzeugung von elektrischer und mechanischer Energie zu entwickeln, wie sie in Industrieanlagen, Kraftwerksanlagen, Chemieanlagen und anderen Teilen von Industrie und Landwirtschaft als Abfallenergie mit Temperaturen < 200°C anfallen.It is therefore an object of the present invention to use an energy converter low potential energy source, for the generation of electrical and mechanical Develop energy as it is in industrial plants, power plants, chemical plants and other parts of industry and agriculture as waste energy with temperatures <200 ° C.
Diese Aufgabe wird durch den Energiewandler mit den Merkmalen des Patent anspruches 1 gelöst.This task is accomplished by the energy converter with the features of the patent Claim 1 solved.
Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Lösungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred configurations and advantageous solutions result from the Dependent claims.
So wurde ein Energiewandler geschaffen, mit dem es möglich ist, sowohl elektrische als auch mechanische Energie aus thermischer Energie zu gewinnen, wobei der Energie wandler aus einem Wärmetauscher und einer von dem in diesem gewonnenen Arbeits mittel dampfbetriebenen Entspannungseinrichtung besteht.So an energy converter was created with which it is possible to use both electrical and also gain mechanical energy from thermal energy, taking the energy converter from a heat exchanger and one of the work gained in it medium steam-operated relaxation device.
Der Wärmetauscher weist ein spiralförmiges Leitsystem für das Kondensat auf und besitzt eine Kondensatzuführung im unteren Bereich des Wärmetauschers.The heat exchanger has a spiral guidance system for the condensate and has a condensate supply in the lower area of the heat exchanger.
Die Entspannungseinrichtung besitzt einen zellradförmigen Rotor, dessen Achse hohl ausgebildet und exzentrisch zum Gehäuse der Entspannungseinrichtung angeordnet ist, so daß sich ein zylindrischer Flüssigkeitsring an der Gehäuseinnenwand ausbilden kann.The expansion device has a cellular wheel-shaped rotor, the axis of which is hollow is designed and arranged eccentrically to the housing of the expansion device, so that a cylindrical liquid ring can form on the inner wall of the housing.
Dem Rotor der Entspannungseinrichtung ist ein Drehschiebersystem vorgelagert, mit dessen Hilfe die Entspannung eines dampf oder gasförmigen Arbeitsmittels so zeitlich ermöglicht wird, daß der Prozeß in Abhängigkeit von einflußnehmenden Parametern optimiert werden kann. Ferner ist die Entspannungseinrichtung mit einem Vorratsbehälter für Flüssigkeit bzw. Kondensat derart verbunden, daß sich sein Eintritt oberhalb des Austrittes der Entspannungseinrichtung befindet und somit ein Rücklauf des Kondensates in der Entspannungseinrichtung bei Rotorstillstand gegeben und so verbunden ist, daß sich sein Austritt oberhalb des Eintrittes in die Entspannungs einrichtung befindet.A rotary slide valve system is located in front of the rotor of the expansion device whose help the relaxation of a vapor or gaseous working medium in time it is possible that the process is dependent on influencing parameters can be optimized. Furthermore, the relaxation device with a Storage container for liquid or condensate connected such that its entry located above the outlet of the expansion device and thus a return of the Condensate in the expansion device given rotor standstill and so is connected that its exit is above the entrance to the relaxation facility is located.
Ferner sieht die Erfindung vor, daß durch eine geeignete Regeleinrichtung das Kondensat aus dem Flüssigkeitsring während des Betriebes teilweise in den Verdampfer gefördert wird und zu diesem Zwecke keine gesonderte Kondensatpumpe erforderlich ist. Furthermore, the invention provides that the condensate by a suitable control device partially conveyed from the liquid ring into the evaporator during operation and a separate condensate pump is not required for this purpose.
Das Verfahrensschritte zur Nutzung niederpotentieller Energieträger sind dadurch charakterisiert, daß der Flüssigkeitsraum der Anlage durch erwärmte Flüssigkeit, die zuvor durch Abfallenergie oder ähnliche aufgeheizt wurde, durchströmt wird. Über vorgesehene Tauscherflächen wird das im Verdampfer stehende Kondensat erwärmt und schließlich verdampft. Der Arbeitsmitteldampf steigt in spiralförmig und mehrgängig angeordneten Rippen im Verdampfer nach oben, nimmt dabei Wärme auf und erreicht je nach Temperatur der Flüssigkeit ein Potential von tl und p1. Der Arbeitsmitteldampf gelangt über ein entsprechendes Zuführungselement in das Energiewandlergehäuse und wird über einen Drehschieber auf die Flügelzellen eines Flügelzellenrotors verteilt. Dabei entspannt sich der Arbeitsmitteldampf, indem er auf den Flügelzellenrotor ein Drehmoment überträgt. Der Flügelzellenrotor beginnt sich zu drehen und überträgt über seine Hohlwelle die Drehbewegung auf einen direkt gekoppelten Generator, von dem die erzeugte Elektroenergie abgenommen werden kann.The process steps for the use of low-potential energy sources are characterized in that the liquid space of the system is flowed through by heated liquid which was previously heated by waste energy or the like. The condensate in the evaporator is heated and finally evaporated via the provided exchanger surfaces. The working fluid vapor rises in spiral and multi-course fins in the evaporator, absorbs heat and reaches a potential of t l and p 1 depending on the temperature of the liquid. The working fluid vapor reaches the energy converter housing via a corresponding feed element and is distributed to the vane cells of a vane cell rotor via a rotary valve. The working fluid vapor relaxes by transmitting torque to the vane rotor. The vane rotor begins to rotate and transmits the rotary motion via its hollow shaft to a directly coupled generator, from which the electrical energy generated can be taken off.
Der Grad der Arbeitsmitteldampfentspannung ist von den Drehschiebersteuerzeiten abhängig, und der Enddruck kann so gewählt werden, daß gegebenenfalls eine Kondensation bereits in der Entspannungseinrichtung erfolgt und dadurch ein separater Kondensator entfallen kann. Bei dieser Verfahrensstufe kommt es in den als Arbeitsräume fungierenden Flügelzellen zu einer spontanen Kondensation, und es bilden sich Kondensationströpfchen aus, die in den Flüssigkeitsring innerhalb des Wandlergehäuses der Entspannungseinrichtung eintauchen. Bei weiterer Drehung des Flügelzellenrotors des Energiewandlers wird der nun entstehende Unterdruck ebenfalls ein Drehmoment am Rotor erzeugen und damit den Wirkungsgrad des Energiewandlers verbessern.The degree of working fluid vapor relaxation is from the rotary valve timing dependent, and the final pressure can be chosen so that, if necessary Condensation already takes place in the relaxation device and thus a separate one Capacitor can be omitted. At this stage of the process it comes in as Working spaces act as vane cells for spontaneous condensation, and form it condensation droplets from inside the liquid ring Immerse the converter housing of the relaxation device. With further rotation of the The vane cell rotor of the energy converter also becomes the resulting negative pressure generate a torque on the rotor and thus the efficiency of the energy converter improve.
Durch die Kondensatabscheidung im Flüssigkeitsring der Entspannungseinrichtung erreicht diese eine geometrisch begrenzte Stärke, und das überschüssige Kondensat wird über ein vorgesehenes Regelventil in den Verdampfer gefördert. Hier läuft das Kondensat entsprechend dem spiralförmigen Gefälle der mehrgängig angeordneten Rippen als Flüssigkeitsfilm abwärts und verdampft erneut.Due to the condensate separation in the liquid ring of the expansion device this reaches a geometrically limited thickness, and the excess condensate becomes conveyed into the evaporator via a control valve provided. This is where it works Condensate according to the spiral gradient of the multi-course arrangement Ribs down as a liquid film and evaporates again.
Mit nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with the following exemplary embodiment.
Die dazugehörige Zeichnung zeigt inThe accompanying drawing shows in
Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Energiewandlers mit zugeordnetem Generator Fig. 1 is a sectional view of the energy converter with an associated generator
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Energiewandlers mit direkter Ankopplungs einrichtung zur Abnahme mechanischer Energie Fig. 2 is a sectional view of the energy converter with a direct coupling device for the removal of mechanical energy
Fig. 3 einen Schnitt A-A nach Fig. 1 in prinziphafter Darstellung Fig. 3 shows a section AA of FIG. 1 in a schematic representation
Der Energiewandler 15 ist in seiner Gesamtheit in einer Schnittdarstellung in der Fig. 1 gezeigt und besteht aus einem Wärmetauscher 27 mit einer äußeren Isolierung 9, die sowohl den Dampferzeugungsbereich als auch den Wandlerbereich, das Wandler gehäuse 1 der Entspannungseinrichtung 26 vollumfänglich umschließt und somit gesichert ist, daß wirkungsgradmindernde Energieverluste nicht eintreten.The energy converter 15 is shown in its entirety in a sectional view in FIG. 1 and consists of a heat exchanger 27 with an outer insulation 9 , which completely encloses both the steam generation area and the converter area, the converter housing 1 of the expansion device 26 and is thus secured that efficiency-reducing energy losses do not occur.
Im oberen Bereich des Energiewandlers 15 befindet sich der durch ein Rohr ausgebildete Wärmeträgerzufluß 8 und im unteren Bereich ist ein Wärmeträgerabfluß 16 vorgesehen. Innerhalb des Energiewandlers 15 befinden sich umfänglich in Form von spiralförmigen verlaufenden Rohren ein Verdampfer 7, die über die gesamte Höhe oder Länge des Energiewandlers 15 vorgesehen sind. Über Kondensatleitungen 10 gelangt das verdampfte Kondensat aus dem Verdampfer 7 in den Innenraum 17 des Wandlergehäuses 1.In the upper region of the energy converter 15 there is the heat carrier inflow 8 formed by a tube and in the lower region a heat carrier outflow 16 is provided. An evaporator 7 , which is provided over the entire height or length of the energy converter 15 , is located circumferentially within the energy converter 15 in the form of spiral tubes. The evaporated condensate from the evaporator 7 reaches the interior 17 of the converter housing 1 via condensate lines 10 .
Innerhalb des Wandlergehäuses 1 ist ein Flügelzellenrotor 2 vorgesehen, der über eine Rotorwelle 18 und eine Kupplung 14 mit einem Generator 12 verbunden ist.A vane cell rotor 2 is provided within the converter housing 1 and is connected to a generator 12 via a rotor shaft 18 and a clutch 14 .
Am Wandlergehäuse 1 ist ein Regelventil 5 vorgesehen, und gleichzeitig besteht eine Verbindung zwischen dem Verdampfer 7 und dem Wandlergehäuse 1 in Form einer Kondensatleitung 10/Verteilung 11.. A control valve 5 is provided on the converter housing 1 , and at the same time there is a connection between the evaporator 7 and the converter housing 1 in the form of a condensate line 10 / distribution 11.
Über eine Dampfeinmündung 19 gelangt das verdampfte Kondensat in den Innenraum 17 des Wandlergehäuses 1.The vaporized condensate reaches the interior 17 of the converter housing 1 via a steam inlet 19 .
Die Rotorwelle 18 ist dabei vorzugsweise als eine Hohlwelle ausgebildet, und zur Regelung der Zuführung des verdampften Kondensates befindet sich im Bereich der Dampfeinmündung 19 ein Drehschieber 3, über den eine geregelte Zuführung und ein Abschotten der Zuführung des Kondensates, der Arbeitsmittelflüssigkeit, in den Innenraum 17 des Wandlergehäuses 1 möglich ist.The rotor shaft 18 is preferably designed as a hollow shaft, and to regulate the supply of the evaporated condensate there is a rotary slide valve 3 in the area of the steam inlet 19 , via which a regulated supply and a partitioning of the supply of the condensate, the working fluid, into the interior 17 of the converter housing 1 is possible.
Vorgesehene Überströmfenster 13 gewährleisten einen kontinuierlichen Kreislauf des gesamten Prozesses, und der Innenraum des Energiewandlers 15 ist als Dampfraum 6 gekennzeichnet.Provided overflow windows 13 ensure a continuous circulation of the entire process, and the interior of the energy converter 15 is identified as a vapor space 6 .
Im unteren Bereich des Energiewandlers 15, oberhalb des Wandlergehäuses 1, befindet sich ein gewisser Teil der Arbeitsflüssigkeit, sprich ein Teil des verdampften Kondensates, welches mit der Bezugszahl 20 gekennzeichnet ist.In the lower area of the energy converter 15 , above the converter housing 1 , there is a certain part of the working fluid, that is to say a part of the evaporated condensate, which is identified by the reference number 20 .
Die während des Betriebes des Energiewandlers 15 über den Generator 12 erzeugte Elektroenergie wird über entsprechende Ableitungen aus dem Energiewandler 15 herausgeführt.The electrical energy generated during operation of the energy converter 15 via the generator 12 is led out of the energy converter 15 via corresponding derivatives.
Die dargestellte und beschriebene Ausführungsform des Energiewandlers 15 nach der Fig. 1 stellt somit einen thermo-elektrischen Wandler dar.The illustrated and described embodiment of the energy converter 15 according to FIG. 1 thus represents a thermo-electrical converter.
Durch geringfügige Veränderungen des Energiewandlers 15 kann aus diesem thermo- elektrischen Wandler ein thermo-mechanischer Wandler konzipiert werden. Dies in der Art und Weise, daß die im Wandlergehäuse 1 erzeugte mechanische Energie direkt von der Rotorwelle 18 über die Kupplung 14, eines weiteren Übertragungselementes auf eine Kupplung 21 zugeführt wird, an die dann entsprechende Systeme zur Nutzung der erzeugten mechanischen Energie anschließbar sind.By making minor changes to the energy converter 15 , a thermo-mechanical converter can be designed from this thermoelectric converter. This is done in such a way that the mechanical energy generated in the converter housing 1 is fed directly from the rotor shaft 18 via the clutch 14 , another transmission element to a clutch 21 , to which corresponding systems for using the generated mechanical energy can then be connected.
Dabei bleiben der Aufbau und die Funktionsweise des Energiewandlers 15 in seiner Gesamtheit erhalten, lediglich bedarf es nicht des Einbaues des Generators 12.The structure and the mode of operation of the energy converter 15 are retained in their entirety, only the installation of the generator 12 is not required.
Ein derartiger thermo-mechanischer Wandler ist in der Fig. 2 gezeigt. Such a thermo-mechanical converter is shown in FIG. 2.
Der Aufbau des/der Energiewandler/s 15 ergeben sich aus den Darstellungen nach den Fig. 1 und 2, die Funktionsweise weitestgehend aus der Fig. 3, welche eine Schnittdarstellung durch das Wandlergehäuse 1 zeigt und verdeutlicht wird, daß das Wandlergehäuse 1 und der Flügelzellenrotor 2 nicht zentrisch zueinander positioniert sind, sondern einen bestimmten Abstand zueinander aufweisen, somit dezentrisch zueinander gelagert und angeordnet sind.The structure of the energy converter (s) 15 result from the representations according to FIGS. 1 and 2, the mode of operation largely from FIG. 3, which shows a sectional view through the converter housing 1 and illustrates that the converter housing 1 and the vane rotor 2 are not positioned centrally to one another, but are at a certain distance from one another, and are thus mounted and arranged decentrally to one another.
Der Flügelzellenrotor 2 ist gemäß der dargestellten Ausführungsform mit sechs Flügeln 23 ausgebildet, zwischen denen sich sechs Flügelzellen herausbilden, die als Arbeitsräume 22 bis 22''''' zur Aufnahme der Arbeitsmittelflüssigkeit und des Arbeitsmittelsdampfes dienen.The vane cell rotor 2 is formed according to the illustrated embodiment with six vanes 23 , between which six vane cells are formed, which serve as working spaces 22 to 22 '''''for receiving the working fluid and the working fluid vapor.
Der Drehschieber 3 ist dabei feststehend ausgebildet, und die Rotorwelle 18 besitzt in Abhängigkeit der Arbeitsräume 22 entsprechende Austritts- bzw. Eintrittsöffnungen 24 für den Eintritt des Arbeitsmittels. Der Drehschieber 3 selbst ist mit einer Öffnung 25 ausgebildet. Bei Drehbewegung des Flügelzellenrotors 2 werden jeweils die entsprechenden Austrittsöffnungen des jeweiligen Arbeitsraumes 22 zur Öffnung in Position gebracht, damit das Arbeitsmittel in den jeweiligen Arbeitsraum gelangen kann. Der Flügelzellenrotor 2 streicht im weitesten Sinne über die Öffnung 25.The rotary valve 3 is designed to be stationary, and the rotor shaft 18 has, depending on the working spaces 22, corresponding exit or entry openings 24 for the entry of the working medium. The rotary valve 3 itself is formed with an opening 25 . When the vane rotor 2 rotates, the corresponding outlet openings of the respective working space 22 are brought into position for opening so that the working medium can get into the respective working space. The vane rotor 2 sweeps across the opening 25 in the broadest sense.
Zum weiteren Aufbau bzw. zum Zusammenwirken der einzelnen Elemente des Energie
wandlers 15 und dessen Funktionsweise:
Der Verdampfer 7 ist räumlich im Wärmetauscher 27 im Energiewandler 15 angeordnet.
Er ist zweckmäßigerweise als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet und bietet so die
Möglichkeit, im unteren Bereich die Wärme aus dem Generatorraum, infolge
Widerstandserwärmung sowie der Erwärmung aus der Flüssigkeitsreibung und aus der
mechanischen Reibung, wieder aufzunehmen.For further construction or for the interaction of the individual elements of the energy converter 15 and its functioning:
The evaporator 7 is arranged spatially in the heat exchanger 27 in the energy converter 15 . It is expediently designed as a countercurrent heat exchanger and thus offers the possibility of taking up the heat from the generator space in the lower region as a result of resistance heating and the heating from fluid friction and from mechanical friction.
Im oberen Bereich des Verdampfers 7 erfolgt über Zuführungsrohre 8 die Zuleitung des Wärmeträgers, der sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Aggregatzustand eingeleitet werden kann. In the upper area of the evaporator 7 , the supply of the heat carrier takes place via feed pipes 8 , which can be introduced both in the liquid and in the gaseous state.
Der Dampfraum 6 ist mit dem Verdampfergehäuse verbunden und im oberen Bereich durch einen druckfesten Verschlußdeckel abgeschlossen.The steam chamber 6 is connected to the evaporator housing and is closed off in the upper region by a pressure-tight closure cover.
Vom Regelventil 5 führt die Kondensatleitung 10/Verteilung 11 durch den Dampfraum 6 und mündet in einer bestimmten Höhe in den Verdampfer 7.The condensate line 10 / distribution 11 leads from the control valve 5 through the vapor space 6 and opens into the evaporator 7 at a certain height.
Der Generatorraum liegt unterhalb des Dampfraumes 6 und beherbergt den Generator 12, die Kupplung 14 des Generators 12 zur Rotorwelle 18 und den Drehschieber 3, der unmittelbar auf dem Deckel des Flüssigkeitsringgehäuses, des Wandlergehäuses 1, angeordnet ist. Ferner befinden sich im Drehschieber 3 Abdichtungs elemente, um ein ungewolltes Austreten bzw. Eintreten von Flüssigkeit zu verhindern.The generator chamber is located below the steam chamber 6 and houses the generator 12 , the coupling 14 of the generator 12 to the rotor shaft 18 and the rotary slide valve 3 , which is arranged directly on the cover of the liquid ring housing, the converter housing 1 . There are also 3 sealing elements in the rotary valve to prevent unwanted leakage or ingress of liquid.
Wie bereits oben ausgeführt, bildet das Wandlergehäuse 1 den unteren Abschluß. In diesem gelagert ist der Flügelzellenrotor 2, es ist ein Innenraum 17 vorhanden, in dem sich der Flüssigkeitsring 4 ausbildet.As already stated above, the converter housing 1 forms the lower end. The vane cell rotor 2 is mounted in this, there is an interior space 17 in which the liquid ring 4 is formed.
Zur weiteren Regulierung des flüssigen Arbeitsniveaus sind an der inneren Wand des Verdampfers 7 Überströmfenster 13 so angeordnet, so daß für eine Inbetriebnahme geringes flüssiges Arbeitsmittel im unteren Bereich des Verdampfers 7 ausreichend ist.To further regulate the liquid working level, 7 overflow windows 13 are arranged on the inner wall of the evaporator so that little liquid working fluid in the lower region of the evaporator 7 is sufficient for commissioning.
Gleichzeitig kann über diese Fenster 13 Dampf erneut und mehrfach durch den Verdampfer 7 geführt werden. Der Antrieb für die Dampfzirkulation erfolgt über einen am Generator 12 vorhandenen Lüfter.At the same time, steam can be guided through the evaporator 7 again and repeatedly through these windows 13 . The steam circulation is driven by a fan on the generator 12 .
Bei Stillstand des Energiewandlers 15, der Flügelzellenrotor 2 dreht nicht, und es ist auch kein Flüssigkeitsring 4 herausgebildet, befindet sich das Arbeitsmittel vorwiegend im Wandlergehäuse 1.When the energy converter 15 is at a standstill, the vane cell rotor 2 does not rotate, and no liquid ring 4 is formed, the working medium is predominantly located in the converter housing 1 .
Nur ein geringer Teil der Arbeitsmittelflüssigkeit 20, das Kondensat, steht im unteren Teil des Verdampfers 7. Je nach Temperatur ist ein Teil der Arbeitsmittefflüssigkeit 20 verdampft, und es besteht ein Gleichgewichtszustand zwischen der Dampf- und Flüssigphase.Only a small part of the working fluid 20 , the condensate, is in the lower part of the evaporator 7 . Depending on the temperature, part of the working fluid 20 has evaporated and there is a state of equilibrium between the vapor and liquid phases.
Wird nun Wärmeenergie zugeführt, verdampft die Arbeitsmittelflüssigkeit 20. Der Dampf nimmt Energie auf, der Druck steigt an und bei entsprechendem Druckanstieg wird über den Generator 12, welcher für den Anlauf des Energiewandlers 15 in der Anlaufphase mit Elektroenergie versorgt wird, das gesamte System in Drehung versetzt. Gleichzeitig wird der Flügelzellenrotor 2 in Drehung versetzt und von diesem wird die Arbeitsmittelflüssigkeit 20 gleichfalls in Rotation gebracht. Dadurch bildet sich der Flüssigkeitsring 4 heraus, der im Zusammenwirken mit dem Flügelzellenrotor 2 den eigentlichen Arbeitsraum des Energiewandlers 15 darstellt.If thermal energy is now supplied, the working fluid 20 evaporates. The steam absorbs energy, the pressure rises and, when the pressure rises accordingly, the entire system is rotated via the generator 12 , which is supplied with electrical energy for the start-up of the energy converter 15 in the start-up phase. At the same time, the vane rotor 2 is set in rotation and the working fluid 20 is also set in rotation by the latter. This forms the liquid ring 4 , which, in cooperation with the vane rotor 2, represents the actual working space of the energy converter 15 .
Jetzt wird aus dem Dampfraum 6 über die Dampfeinmündung 19 und über den Drehschieber 3 Arbeitsmitteldampf in den Flügelzellenrotor 2 geleitet.Now working medium steam is passed from the steam chamber 6 via the steam inlet 19 and via the rotary valve 3 into the vane rotor 2 .
Die Einspeisung erfolgt über einen bestimmten Drehwinkel, welcher in der Fig. 3 mit den Bezeichnungen α0 und α1 gekennzeichnet ist. Danach schließt der Drehschieber 3 die Zufuhr des Arbeitsmittels in die erste Flügelzelle, dem ersten Arbeitsraum 22.The feed takes place over a certain angle of rotation, which is identified in FIG. 3 by the designations α 0 and α 1 . The rotary slide valve 3 then closes the supply of the working fluid into the first vane cell, the first working space 22 .
Der unter einem Arbeitsdruck p1 stehende Dampf entspannt sich in dem erstem Arbeitsraum 22 bis zu einem Druck p2, gibt dabei Energie ab und überträgt auf den Flügelzellenrotor 2 ein Drehmoment, wodurch der Flügelzellenrotor 2 angetrieben wird. Dieser erste Arbeitstakt ist in der Fig. 3 mit den Bezeichnungen p1, α0 = Einlaßbeginn und p1, α1 = Einlaßende gekennzeichnet.The p under a working pressure of 1 standing steam relaxes in the first working chamber 22 to a pressure p 2, are thereby energy and transfers to the vane rotor 2, a torque, thereby driving the vane rotor. 2 This first work cycle is identified in FIG. 3 with the designations p 1 , α 0 = inlet start and p 1 , α 1 = inlet end.
Nach Erreichen des Druckes p2 hat der Flügelzellenrotor 2 einen bestimmten Dreh winkel α2 erreicht. Entspricht der Position α2, dies ist das Expansionsende. Bei nun weiterer Drehung des Flügelzellenrotors 2 vergrößert sich der nachfolgende Arbeitsraum 22', so daß der Druck des Arbeitsmitteldampfes weiter absinkt. Es bildet sich nachfolgend ein Vakuum in der Flügelzelle, dem Arbeitsraum 22" heraus, das dazu führt, daß auf den Flügelzellenrotor 2 ein negatives Drehmoment wirkt und im Arbeitsmitteldampf eine spontane Kondensation einsetzt.After reaching the pressure p 2, the vane rotor 2 α a certain rotational angle reaches the second Corresponds to position α 2 , this is the end of expansion. If the vane cell rotor 2 now rotates further, the subsequent working space 22 ′ increases, so that the pressure of the working fluid vapor drops further. A vacuum is subsequently formed in the vane cell, the working space 22 ″, which leads to a negative torque acting on the vane cell rotor 2 and spontaneous condensation occurring in the working fluid vapor.
Die sich nun bildenden Cluster führen zu kleinen Kondensattröpfchen, diese folgen der Fliehkraft infolge der Rotation des Flügelzellenrotors 2 und tauchen in den Flüssigkeits ring 4 ein. Hierbei geben sie Kondensationswärme ab, und der Flüssigkeitsring 4 im Innenraum 17 gewinnt durch das zunehmende Kondensat an Masse. The clusters now forming lead to small droplets of condensate, these follow the centrifugal force due to the rotation of the vane rotor 2 and dip into the liquid ring 4 . Here, they give off condensation heat, and the liquid ring 4 in the interior 17 gains mass through the increasing condensate.
Hat die Flügelzelle den Totpunkt des größten Arbeitsraumes 22" überschritten, verbleibt Vakuum in ihr, da der Dampf kondensiert ist.If the wing cell has exceeded the dead center of the largest working space 22 ", vacuum remains in it because the steam has condensed.
Dies bedeutet, in den Arbeitsräumen 22 und 22' wird die gesamte Energie des Arbeitsmitteldampfes abgegeben, es besteht Gleichgewicht zwischen Dampf und Flüssigkeitsphase, der Druck sinkt unter 1 bar ab.This means that the entire energy of the working fluid vapor is released in the working spaces 22 and 22 ', there is an equilibrium between the vapor and the liquid phase, and the pressure drops below 1 bar.
Bei weiterer Rotation des Flügelzellenrotors 2 erzeugt der Unterdruck ebenfalls ein antreibendes Drehmoment auf den Flügelzellenrotor 2. Da im Bereich der nachfolgenden Arbeitsräume 22''' bis 22''''' der Druck in denselben so ansteigt, daß der Anteil des Kondensates, der durch die Kondensation des Arbeitsmitteldampfes den Flüssigkeits ring 4 vergrößert hat, nunmehr über das Regelventil 5 in die Kondensatleitung 10/ Verteilung 11 verdrängt wird.When the vane rotor 2 rotates further, the negative pressure also generates a driving torque on the vane rotor 2 . Since in the area of the following working spaces 22 '''to 22 ''''' the pressure in the same rises so that the proportion of the condensate, which has increased the liquid ring 4 due to the condensation of the working fluid vapor, now via the control valve 5 in the Condensate line 10 / distribution 11 is displaced.
Da das Regelventil 5 im oberen Bereich des Flüssigkeitsringes 4 angeordnet ist und eine Temperaturschichtung im Flüssigkeitsring 4 erfolgt ist, wird sichergestellt, daß jeweils das Kondensat mit der höchsten Temperatur aus dem Flüssigkeitsring 4 verdrängt wird und somit die Rückverdampfung im Flüssigkeitsring 4 so gering wie möglich gehalten wird.Since the control valve 5 is arranged in the upper region of the liquid ring 4 and a temperature stratification has taken place in the liquid ring 4 , it is ensured that the condensate with the highest temperature is displaced from the liquid ring 4 and thus the re-evaporation in the liquid ring 4 is kept as low as possible becomes.
Das verdrängte Kondensat gelangt jetzt über die Kondensatleitung 10 und die Verteilung 11 über einen Verteilerring in den Verdampfer 7. Hier nimmt es erneut Wärme auf, die vom Generatorraum abgegeben wurde und fließt über Verteilerelemente in den unteren Teil des Verdampfers 7, von wo aus eine erneute Verdampfung erfolgt und der Kreislauf sich wiederholt.The displaced condensate now reaches the evaporator 7 via the condensate line 10 and the distributor 11 via a distributor ring. Here it again absorbs heat that was given off by the generator space and flows via distributor elements into the lower part of the evaporator 7 , from where renewed evaporation takes place and the cycle is repeated.
Wenn eine Auskopplung der Kondensationswärme sinnvoll ist, läßt sich ein externer Kondensator ohne weiteres in die Kompaktanlage einbinden, allerdings ändert sich dadurch die Arbeitsweise des Energiewandlers, und es erfolgt dann lediglich eine Entspannung des Dampfes im Energiewandler, jedoch keine Kondensation.If it makes sense to decouple the heat of condensation, an external one can be used Integrate the capacitor into the compact system without any problems, but changes thereby the mode of operation of the energy converter, and then only one takes place Relaxation of the steam in the energy converter, but no condensation.
Als Arbeitsmittel kommen vorzugsweise Butan, Penthan oder auch Propan bzw. andere Mittel zum Einsatz. Butane, pentane or also propane or others are preferably used as working media Means to use.
Ein besonderer Vorteil des vorgestellten Energiewandlers 15 besteht darin, daß dieser, wie beschrieben und dargestellt, als Kompaktanlage ausgebildet sein kann, aber auch die Möglichkeit gegeben ist, diesen auch als eine Splittanlage auszuführen.A particular advantage of the energy converter 15 presented is that, as described and illustrated, it can be designed as a compact system, but it is also possible to design it as a split system.
Dies bedeutet, der Wärmetauscher 27 ist konstruktiv von der Entspannungs einrichtung 26 getrennt ausgeführt, und die funktionsbedingten Verbindungen werden dann über geeignete Verbindungselemente hergestellt.This means that the heat exchanger 27 is structurally separate from the expansion device 26 , and the function-related connections are then made via suitable connecting elements.
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